توضیحات

پروژه متلب ردیابی نقطه حداکثر توان(MPPT) پنل فتوولتائیک با الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات(PSO)

امروزه به دلیل روند رو به کاهش منابع انرژی فسیلی و افزایش نیاز به انرژی در سراسر جهان تلاش برای یافتن انرژی های نو و جایگزین مناسب برای سوخت های متداول امری اجتناب ناپذیر است. در میان انرژی های تجدید پذیر انرژی خورشیدی یکی از گزینه های بی پایان، پاکیزه و قابل دسترس است. سیستم های فتوولتایک علیرغم مزایای فراوان دارای معایبی نیز هستند. این سیستم ها دارای هزینه نصب بسیار زیاد و بازده پایینی هستند. گذشته از این به دلیل وابستگی شدید به سطح تابش خورشید و دمای کار پنل خورشیدی، مشخصه های غیر خطی دارند. هر سلول خورشیدی دارای یک نقطه کار واحد است که اصطلاحا نقطه ماکزیمم توان یا MPP نامیده می شود. هنگامی که سیستم در این نقطه کار قرار داشته باشد بیشترین بهره در تولید توان و بیشترین توان خروجی را دارد. علیرغم وجود روش ها و الگوریتم های مختلف MPPT هیچیک قادر به یافتنMPP سراسری نیستند، این الگوریتم ها یا هیچگاه همگرا نمی شوند، یا در مدت زمان طولانی همگرا می شوند، با آنقدر حول MPP نوسان می کنند که تلفات توان را افزایش می دهند و در نهایت در صورت همگرایی، به همگرایی معلی می رسند که همگرایی کلی. اما الگوریتم هوشمند مبتنی بر رفتار اجتماعی این نقاط ضعف را پوشش می دهد و در مدت زمان کوتاهی و با حداقل تعداد تکرار به MPP کلی همگرا می شود. در این پروژه به بررسی ردیابی نقطه توان ماکزیمم با الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات(PSO) پرداخته است.

در سال های اخیر به دلیل آلودگی ناشی از سوخت های فسیلی و همچنین رو به اتمام بودن آنها علاقه زیادی به استفاده از منابع تجدید پذیر از جمله انرژی خورشیدی ایجاد شده است، این امر موجب شده تکنولوژی استفاده از انرژی فتوولتاییک به سرعت پیشرفت کند. از دوران قدیم تامین انرژی مسئله بسیار مهمی برای جوامع بشری بوده است. در عصر حاضر با توجه به پیشرفت های صنعتی و تکنولوژی که جایگاه بسیار مهمی را در زندگی روزمره انسانها دارد، اهمیت مسئله بنحو بارزتری تجلی می نماید. اما منابع رایج تولید انرژی که اکثرا تجدیدناپذیر می باشند، بنابر تحقیقات دانشمندان تا اواخر قرن ۲۱ به اتمام می رسند.

لذا از دهه های پایانی قرن ۲۰ منابع تجدیدپذیر انرژی مورد توجه خاصی قرار گرفت. از جمله دلایل دیگر توجه به منابع نوین انرژی اثرات مخرب منابع تجدیدناپذیر (سوخت های فسیلی و..) بر محیط زیست بود. با توجه به دلایل فوق دانشمندان در پی کشف راه های جدید، به منابع نوین و تجدیدپذیر انرژی روی آوردند. باید اشاره کرد که انرژی های تجدیدپذیر به نوعی به صورت مستقیمیا غیرمستقیم از انرژی خورشید ناشی می شوند و می توان آنها را تحت نام انرژی های خورشیدی نیز بکار برد و ویژگی بارز آنها در نامحدود بودنشان می باشد. یادآور می شود که فرایند تولید انرژی از باد یا امواج نیز بگونه ای در ارتباط با وجود خورشید بوده و انرژی گرمایشی ترازهای زیرین زمین نیز به همین ترتیب می باشد.

نکته مهم اینجاست که فناوری های عصر حاضر باید بتوانند از انرژی خورشیدی استفاده کنند. بنابراین باید بتوان انرژی خورشیدی (منابع تجدید پذیر) را به انواع انرژی مورد استفاده تبدیل کرده و یا اینکه فناوری ها توانایی تولید انرژی مورد نیاز از خورشید را داشته باشند. یکی از راه های مناسب برای استفاده از منابع تجدید پذیر انرژی، سیستم فتوولتایک می باشد. این سیستم مبتنی بر تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی است.

استفاده از سلول های فتوولتایک دارای مزیت هایی از جمله قابلیت اطمینان بالا، هزینه نگهداری کم، عدم آلودگی هوا و عدم ایجاد نویز می باشد. یکی از مشکلاتی که بر سر راه استفاده از سلول های فتوولتاییک وجود دارد هزینه بالای تمام شده برای هر وات توان می باشد. برای کاهش هزینه ها در راه سخت افزاری و نرم افزاری وجود دارد. روش سخت افزاری بدین صورت است که باید هزینه های ساخت سلول فتوولتاییک و مواد اولیه سلول فتوولتایک را کاهش دهیم و در روش نرم افزاری باید با کنترل بهینه سلول فتوولتاییک، ماکزیمم توان ممکن را از آن جذب کنیم. مهمترین مسئله در کنترل تعقیب ماکزیمم توان خروجی همگرایی به سمت ولتاژ معادل حداکثر توان خروجی می باشد مخصوصا هنگامی که بر اثر وجود سایه در قسمتی از سلول فتوولتائیک، مشخصه توان ولتاژ آن دارای بیش از یک ماکزیمم باشد.

ظرفیت انرژی های نو و تولید پراکنده:

 

با توجه به انواع منابع تولید پراکنده، میزان ظرفیت تولیدی آنها از حدود چندین ده کیلو وات تا چندین ده مگاوات می رسد. در جدول زیر واحدهای تولید پراکنده بر اساس ظرفیت تولیدی آنها ارائه داده شده است.

جدول تقسیم بندی تولید پراکنده بر اساس ظرفیت تولید.

 

همچنین در جدول زیر انواع تکنولوژی های تولید پراکنده همراه با محدودیت ظرفیت تولید توان آنها ارائه شده است.

 

جدول تقسیم بندی تولید پراکنده بر اساس ظرفیت قابل دسترسی.

 

 

دلایل به کارگیری انرژی های نو و تولید پراکنده

براساس تعاریف صورت گرفته، هدف اصلی از به کارگیری واحدهای تولید پراکنده تامین توان اکتیو در شبکه میباشد. البته برخی از واحدهای تولید پراکنده که قادر به تولید توان راکتیو نیز می باشند، برخی از توان راکتیو بارها را نیز تامین می نمایند.

ساختار تکنولوژی های انرژی های نو و تولید پراکنده

انرژی های نو و تولید پراکنده دارای انواع مختلفی می باشد، از مرسوم ترین واحدهای تولید پراکنده می توان به میکروتوربین ها، وسایل ذخیره انرژی، توربین های بادی، انرژی بیوماس، پیل های سوختی و سلول های فتوولتاییک اشاره کرد.

این تکنولوژی ها را میتوان به سه دسته کلی تقسیم بندی نمود:

١- تکنولوژی هایی که با استفاده از انرژی های نو فعالیت میکنند. نظیر جزرومد، توربین های بادی، سلول های خورشیدی، انرژی موج ،زمین گرمایی، اثرات زیست توده وبیوماس می باشد.

۲- تکنولوژی هایی که با استفاده از سوخت های فسیلی کار می کنند. نظیر موتورهای احتراقی، میکرو توربین ها می باشد.

3- تکنولوژی هایی که بر اساس ذخیره سازی انرژی استوارند. نظیر باتری ها، چرخهای طيار، ذخیره سازی های انرژی ابر رسانای مغناطیسی (SCMES)، خازن ها، ذخیره سازی انرژی با فشرده سازی هوا و هیدروپمپ ها می باشد.

تکنولوژی تولید پراکنده براساس انرژی های نو:

توربین های بادی:

انرژی باد از جمله منابع تجدیدپذیری است که از دیرباز به صورت های مختلف مورد استفاده بشر قرارگرفته است. توربین های بادی در مقیاس ها و کاربردهای مختلفی به کار می روند. از مزارع بادی با تعداد توربین های زیاد که به شبکه متصل هستند تا توربین های منفردی که ممکن است به شبکه وصل نباشند و یا توربین هایی که برای پمپاژ آب مورد استفاده قرار می گیرند. باتوجه به مورد کاربرد، راستای محور و ظرفیت تولید توربین ها دارای ساختار مختلف از نظر اجزای تشکیل دهنده و روش های کنترلی می باشند. اجزای اصلی توربین بادی عبارتند از: روتور، چرخ دنده، محور کم سرعت، محور سرعت بالا، ژنراتورها، بدنه، سیستم ترمز، سیستم انحراف توربین به چپ و راست، بادنما، بادسنج، سیستم کنترلی، برج و سایر اجزا می باشد.

مزایا:

1- انرژی تولیدی از توربین بادی می تواند ارزان باشد.

٢- هزینه تولید انرژی پایین است.

٣- هیچ گونه آلایندگی ندارد، سوختی نیز نمی خواهد.

۴- استفاده بهینه از زمین مورد استفاده آن می تواند برای کشاورزی مورد استفاده قرار گیرد.

معایب:

1- در ازای تغیرات سرعت باد، توان خروجی آن تغییر می نماید،

۲- مکان های مناسب برای نصب آن محدود می باشد.

٣- کشتار پرندگانی که از نزدیکی آن عبور می کنند،

۴- اثرات روحی نیروگاه ها، به دلیل بزرگی آن، روی مردم.

 

سیستم های فتوولتاییک(PV):

در سیستم های فتوولتاییک بدون بهره گیری از مکانیزم های متحرک، انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. جزء اساسی نیروگاههای فتولتاییک را سلول های فتولتاییک تشکیل می دهند. این سلول ها تازمانیکه در مقابل نور خورشید قرار دارند مثل یک باتری کوچک تولید برق می کنند. با اتصال های سری و موازی سلول ها واحدی به نام ماژول بدست می آید.

با نصب تعدادی از ماژول های خورشیدی بر روییک صفحه نگهدارنده، واحدی بزرگتر به دست می آید که آرایه خورشیدی نامیده می شود. توان الکتریکی بدست آمده از آرایه خورشیدی به دلیل تغییر شرایط محیط از لحاظ دما و شدت نور همواره دارای نوسان است. یک واحد تولید کننده برق فتوولتاییک از اجزای اصلی ذیل تشکیل می گردد. آرایه خورشیدی تنظیم کننده توان حداکثر، واحدسازی انرژی و اینورتر ولتاژ مشخصات عمومی سیستم های فتوولتاییک به شرح زیر است:

مزایا:

1- جهت نقاط دور دست کاربرد فراوانی دارند.

۲- نیاز خیلی کمی به تعمیر دارند،

3-با محیط زیست سازگار هستند،

۴- عمر طولانی،

۵- نداشتن قطعات متحرک.

معايب:

1-شرایط جوی و جغرافیایی محیط و نور خورشید تاثیر مستقیم بر تولید توان در آنها دارد،

2-بازدهی کم

3-هزینه سرمایه گذاری بالا.

 

پیل های سوختی:

در حال حاضر تهیه انرژی ثانویه در جهان به میزان زیادی به احتراق سوخت های فسیلی وابسته است، ليكن احتراق سوخت های فسیلی با بازدهی نسبتا کمی صورت می پذیرد و گازهای حاصل از احتراق از عوامل آلودگی محیط زیست محسوب می شوند. بنابراین بشر سالیانی است، در جستجوی روش ها و توسعه فن آوری های جدیدی است، تا با بازدهی بیشتر و آلودگی کمتری از منابع انرژی سوخت های فسیلی استفاده نماید. پیل سوختی یکی از تکنولوژی های بدیع و نوظهوری می باشد، که از تطابق و سازگاری خوبی با محیط زیست برخوردار است و عمل تبدیل انرژی در آن با بازدهی بالا صورت می پذیرد و به نظر می رسد که در آینده نزدیک باتوجه به پیشرفت سریع فن آوری آنها، جانشینی مناسب برای فرآیندهای احتراقی سوخت های فسیلی گردند. استفاده از پیل های سوختی نقطه عطفی در صنعت تولید انرژی به حساب می آید، زیرا که تولید الکتریسیته در آن به طور مستقیم و از طريق فعل و انفعالات الکتروشیمیایی و بدون نیاز به احتراق سوخت صورت می گیرد، علاوه بر بازدهی بالا و تولید انرژی در ابعاد کوچک و بزرگی دارای مزایای ویژه ای چون آلودگی اندک و سروصدای نامحسوس می باشند. پیل های سوختی علاوه بر تولید الکتریسیته، حرارت مورد نیاز برای مصارف گرمایشی را نیز تامین می نمایند.

بطوری که با در نظر گرفتن تولید مشترک الکتریسته و حرارت، بازدهی این سیستم ها به حدود ۸۰ درصد میرسد. اجزاء اصلی تشکیل دهنده پیل سوختی در کل عبارت است از: مخزن سوخت، الكتروليت و الکترودهای آند و کاتد.

سوخت با ورود به الکترود متخلل آند و برخورد با یک کاتالیست اکسید کننده، الكترون از دست می دهد و یونیزه می گردد و اکسیژن(هوا ) نیز با ورود الكترود متخلل كاند و برخورد با کاتالیست احیاء کننده احياء میگردد. الكترون آزاد شده از آند از طریقیک مدار خارجی از آند به طرف کاتد جریان پیدا می کند و یک جریان الکتریکیDC ایجاد می کند.

مزایا و معایب استفاده از پیل های سوختی به شرح زیر است:

مزایا:

1- راندمان الکتریکی بالا

۲- نداشتن بخش متحرک (به غیر از پمپ ها و دنده های پیل سوختی)

٣- نبود احتراق در پیل سوختی باعث کاهش قابل ملاحظه آلایندگی در آنها می شود و آنها را با طبیعت سازگار نموده است.

۴- با توجه به راندمان بالای پیل های سوختی در حالت CHP روز به روز ارزش تجاری بهتری پیدا میکنند.

معایب:

١- قیمت بالا

۲- نیاز به یک مبدل الکترونیک قدرت جهت تنظیم ولتاژ خروجی.

پیل های سوختی بر اساس نوع الكتروليت و الکترودها و سوخت مصرفی خود دارای انواع مختلف می باشند. از میان همه انواع این پیل های سوختی کامل ترین آنها بیل های سوختیPMFC می باشد که به لحاظ تجاری قابل دسترس می باشند. عمده کاربرد این پیل ها تولید توان در ظرفیت های بالا در ایستگاه های تولید توان می باشد.

انرژی آبی (سدها):

از دیگر گونه های انرژی خورشیدی می باشد که به صورت طبیعی با بخار شدن آب دریاها و غیره، سپس بارش و جمع شدن این آب پشت سدها و بالاخره تبدیل این انرژی پتانسیلی، انرژی الکتریکی به دست می آید.

انرژی زمین گرمایی:

انرژی حرارتی: این انرژی توسط گردآورنده های مسطح و منعکس کننده(متمرکز کننده) جهت گرم کردن سیال مناسب و سپس واردکردن این سال در سیکل ترمودینامیکی جهت تولید حرارت یا الکتریسیته مورد استفاده قرار می گیرد. در خصوص نیروگاه حرارتی خورشیدی می توان به نیروگاه۵ مگاواتی سندیا در آمریکا که از سال ۱۹۷۷ مورد بهره برداری قرار گرفته است، اشاره کرد.

انرژی امواج:

از این انرژی برای پمپ آب به مخازن بالاتر از سطح دریا استفاده شده (به صورت مکانیکی) و در بر گشت مشابه یک نیروگاه آبی توسط توربین انرژی الکتریکی دریافت می شود.

انرژی بیو گاز:

هدف در این پروسه تهیه گاز متان می باشد که از فضولات حیوانات و کاه قابل حصول است. سپس گاز متان تولید شده را به مصارف گوناگون می رسانند.

سلول خورشیدی فتوولتاییک:

سلول خورشیدی فتوولتاییک سیستمی است که نور خورشید را جذب و انرژی فتون ها را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. جذب نور در نیمه هادی ها باعث به وجود آمدن حامل های بار الکتریکی (الكترون و حفره) به طور مساوی میشود.

اگر یک میدان الکتریکی در نیمه هادی وجود داشته باشد، الكترون های منفی و حفره های مثبت در جهت مخالف یکدیگر حرکت کرده و این جدایی بارهای الکتریکی باعث ایجاد ولتاژ می شود. این اثر که به واسطه نور ولتاژ تولید می شود را فتولتاییک نامند. حرکت بارهای الکتریکی همانند شکل زیر باعث تولید جریان و ولتاژ به طور همزمان و بدنبال آن قدرت (توان) می شود.

شکل نشان دهنده اثر فتوولتاییک.

 

تاریخچه فتوولتاییک:

در سال ۱۸۲۲ توماس دانشمند آلمانی پدیده فتوولتایی را کشف کرد ولی به طور ساده به شکل یک مغناطیس درنظرگرفت. حتی وقتی چارلز اثر پدیده توماس را معکوس کرد و از الکتریسیته گرما یا سرما ایجاد نمود، سلول های خورشیدی یک وسیله آزمایشگاهی باقی ماندند. ادموند بكرل در سال ۱۸۳۹ اولین فردی بود که به پدیده فیزیکی سلول های خورشیدی پی برد که ما حالا از آن به عنوان مبدل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی نام می بریم. پیشرفت هایی در صنعت سلول های خورشیدی در سال ۱۹۳۰ انجام شد.

جف روسی با ترموالکتریسیته کارهایی انجام داد و با کوپلاژ کلکتورهای خورشیدی با ژنراتورهایش از نور خورشید الکتریسیته به دست آورد. ربع قرن بعد آزمایشگاه بل کار تولید سلول های خورشیدی مدرن را با سلول های سیلیکونی با راندمان ۴% آغاز کرد.

اولین کاربرد این سلول ها برای تغذیه خطوط تلفنی در سال ۱۹۵۵ در جرجیا بود. تا سال ۱۹۵۷ آرایه های کوچکی از این سلول ها در راکتورهای نیروی دریایی آمریکا به کار گرفته شد، تا کنترل پرواز را تغذیه کنند. بعدا ارتش آمریکا آنها را در ماهواره هایی به کار برد که دارای سایز بزرگتری بودند.

به استثنای چند سفينه که دارای نیروی هسته ای هستند تمام سفینه های فضایی برای تولید الکتریسیته از سلول های خورشیدی استفاده می کنند زیرا در این ها زباله های سوختی تولید نمی شود همچنین سلول های خورشیدی در غیاب اتمسفر انرژی بیشتری از خورشید دریافت می کنند.

تاریخچه سیستم فتوولتائیک، نحوه پیشرفت و گسترش آن در جهان به صورت خلاصه بر حسب سال واقعه در ادامه آمده است.

• ۱۸۳۹ محقق فیزیک فرانسوی ادموند ساکورل در حین آزمایش با دو الكترود و یک سلول الکترولیت (شامل محلول هادی الکتریسیته) دریافت که میزان انتشار نور می تواند باعث افزایش هدایت در محلول شود.
• ۱۸۷۳ ویلوبای اسمیت خاصیت نوری سلنیوم را کشف کرد.
• ۱۸۷۷ دو نفر به نام های آدامز و دی اثر ولتاژسازی در اولین سلول ساخته شده سلنیوم را مشاهده نمودند.
• ۱۹۲۱ آلبرت انیشتین بابت تئوری مطرح کرده اثر الکتریسیته نوری برنده جایزه نوبل شد.
• از سال ۱۹۲۱ به بعد شاهد چاپ مقالات متعدد در این زمینه و پیشرفت های بدست آمده جدید می باشیم.
• ۱۹۶۰ سلول های با راندمان ۱۴٪ تجاری توسط شرکت هوفمان الکترونیک به بازار عرضه گردید.
• ۱۹۶۲ اولین ماهواره مخابراتی تجاری به نام تل استار با قدرت W14به فضا پرتاب شد. این پروژه توسط آزمایشگاه تلفن بله انجام شد.
• ۱۹۶۲ شرکت شارپ در تولید ماژول های سیلیکونیPV موفق شد.
• ۱۹۶۳ بزرگترین رشته PV در آن زمان در جهان در ژاپن با قدرتW ۲۴۲ برای یک فانوس دریایی نصب شد.
• ۱۹۸۲ تولیدات در تمام جهان تا MW ۹۳ افزایش می یابد.
• ۱۹۸۳ اولین اتومبیل خورشیدی KW1 ساخته شده، توسط شرکت Solar Trek عرض استراليا (در حدود Km ۴۰۰۰) را کمتر از ۲۰ روز می پیماید.
• ۱۹۸۳ حداکثر تولیداتPV تا MW 3/21 افزایش می یابد و درآمد حاصل از معاملات PV به ۲۵۰ میلیون دلار می رسد.
• ۱۹۸۸ کارخانه آرکو تصمیم به گسترش ساخت سلول های فیلم تازک تا توان MW 7 در سال را می گیرد که در دو محل، ژاپن، آلمان غربی برای این سقف تولید کارخانه جدید زده شود.

همانطوری که ملاحظه می شود این روند، رشد سریعی داشته است که نشان از اهميت و قابلیت این سیستم دارد.

اجزای سیستم های فتوولتائیک:

سلول های فتوولتاییک:

این سلول ها مربع های نازک، دیسک ها یا فیلم هایی از جنس نیمه هادی هستند که ولتاژ و جریان کافی را در زمان قرار گرفتن در معرض تابش نور خورشید، تولید می کنند.

ماژول:

مجموعه ای از سلول های فتوولتاییک که لایه لایه در محفظه ای از شیشه قرار گرفته اند.

پانل:

مجموعه چند ماژول را پانل می گویند.

آرایه:

تعدادی از پانل ها که توسط سیم کشی های با ولتاژ معین به هم متصل شده اند، آرایه نامیده می شود.

کنترل کننده شارژ:

تجهیزاتی هستند که ولتاژ باتری ها را تنظیم و کنترل می کنند و از آسیب های احتمالی وارد بر باتری ها جلوگیری می کنند.

ذخیره کننده باتری(باتری بانک):

وسیله است که انرژی الکتریکی تولیدیDC را در خود ذخیره می کند.

مبدل:

وسیله است که جریانDC را به جریانAC برای مصرف، تبدیل می کند.

بار DC:

ابزار آلات، موتورها و تجهیزاتی هستند که از جریانDC تغذیه می شوند.

بارAC :

ابزار آلات، موتورها و تجهیزاتی هستند که از جریانAC تغذیه می شوند.

انواع سیستم های فتوولتاییک:

سیستم های فتوولتاييك انواع مختلفی دارند. ساده ترین سلول فتوولتاییک نیروی مورد نیاز ساعت های مچی و ماشین های حساب را تامین می کند. سیستم های پیچیده تر با اتصال به شبکه مصرف، برق مورد نیاز منزل – ها، کارخانه ها و فضاهای دیگر را تأمین می کنند. بطور کلی از این سیستم ها در شکل های مختلف استفاده می شود. مثلا برخی سامانه های خانگی مجهز به باتری های ذخیره کننده انرژی جهت استفاده در شب هستند. در برخی سیستم ها از تجهیزاتDC استفاده می شود و نیازی به مبدل نیست. برخی از سیستمهای دیگر نیز دارای مبدل بوده و از هر دو جریانAC، DC استفاده می کنند.

انواع مبدل های فتوولتاییک بشرح زیر می باشند:

سیستم های فتوولتاییک ساخته شده با باتری شارژی:

فانوس های خورشیدی و شارژرهای فتوولتاییک مورد استفاده در باتریهای رادیو، از این نمونه بوده و بازار فروش مناسبی دارند. در این سیستم همه اجزاء یکپارچه شده و به جای باتری های یکبار مصرف، از باتری های قابل شارژ استفاده می شود.

سیستم های استفاده در روز:

ساده ترین و ارزانترین سیستم های فتوولتاییک برای استفاده در روز طراحی شده اند. این سیستم ها معمولا شامل ماژول هایی می شوند که ابزار ذخیره سازی ندارند و مستقیما با تابش خورشید، الکتریسیته تولید می – کنند. برخی فن ها، دمنده ها با پره های توزیع انرژی حرارتی در سیستم های گرمایش آب و نیز وسیله های استفاده کننده از انرژی خورشیدی چون ماشین های حساب و ساعت های مچی از این دسته اند.

سیستم جریان مستقیم (DC) با باتری ذخیره:

برای استفاده از سیستم های فتوولتاییک در شب یا مواقع ابری، از سیستم های مجهز به باتری ذخیره استفاده می شود. در شكل زیر نمونه ای از این سیستم را مشاهده می کنیم. اجزای اصلی این سیستم یک ماژول فتوولتاییک (PV)، کنترل کننده های شارژی باتری های ذخیره و سایر وسایل است. سیستم های با باتری ذخیره می توانند شامل وسایل کوچکی مانند چراغ قوه با یک باتری تا ابزار آلات بزرگ با تعداد زیادی باتری صنعتی باشند.

نکته مهم در مورد باتری های شارژی آن است که باید به منظور دوام بیشتر، بطور کامل تخلیه شوند و سپس کاملا شارژ گردند. اندازه و شکل منبع باتری باید متناسب با عملکرد ولتاژ سیستم، مقدار استفاده در شب، شرایط آب و هوایی محل و … طراحی گردند. در برخی از این سیستم ها یکی کنترل کننده شارژ، طراحی شده است که از شارژ بیش از حد باتری ها یا تخلیه غیر عادی آنها با قطع اتصال ماژول از منبع باتری جلوگیری می کند و این موضوع در حفظ کیفیت و دوام باتری موثر است.

شكل سیستم جریان مستقیم (DC) با باتری ذخیره.

 

سیستم جریان مستقیم تغذیه کننده جریان متناوب:

ماژول های فتوولتاییک در اثر تابش خورشید انرژی الکتریکیDC را تولید می کنند. اما اکثر لوازم الکتریکی به انرژیAC نیازمندند. لذا سیستم های فتوولتاییک باید مبدلی را جهت تبدیل جریانDC به AC داشته باشند، این مبدل ها انعطاف پذیری سیستم را افزایش داده و تسهیلاتی را ایجاد می کنند. اما افزایش هزینه را نیز در پی دارند.

 سیستم های متصل به شبکه برق شهری:

این سیستم ها به باتری ذخیره نیازی ندارند. چون خود شبکه برق، عمل ذخیره سازی انرژی را انجام میدهد. انرژی اضافی تولید شده را مالک سیستم به شبکه شهری می فروشد و در صورت نیاز از شبکه شهری دریافت می کند. بر این اساس شرایطی باید فراهم شود تا خرید و فروش انرژی بین مالک و شبکه شهری امکانپذیر باشد. بدین منظور برخی از کمپانی های شبکه برق شهری کنتورهایی را به مشتریان خود می دهند که مقدار خرید و فروش الکتریسیته را معین می کند.

سیستم های هیبریدی:

اکثر مردم تمام انرژی الکتریکی مورد نیاز خود را فقط توسط سیستم فتوولتاییک تأمین نمی کنند و معمولا معمول ترین راه در سیستم های هیبریدی،یک موتور دیزلی با روش دیگری از تأمین انرژی را بکار می برند. گازی تولید کننده انرژی است که می تواند در کاهش هزینه های ابتدایی مؤثر باشد.

از فواید سیستم های هیبریدی آن است که دارای حداقل دو سیستم شارژ مستقل هستند. از نمونه های این سیستم، ماژول فتوولتاییکی است که دارای توربین های بادی می باشند. افزودن یک توربین بادی به این سیستم می تواند در مواقعی که خورشید تابش نداشته ليكن باد وزش داشته باشد، انرژی لازم تهیه شود. حتی می توان یک تولید کننده الکتریسیته را درون سیستم فتوولتاییک بادی قرار داد. این سیستم فتوولتاییک بادی تولید کننده، علاوه بر مزایای سیستم های فتوولتاییک و تولید کننده، از منبع شارژ سوم باتری ها نیز برخوردار است. در شكل زیر سیستم متصل به برق شهری را نشان می دهد.

شكل سیستم های متصل به شبکه برق شهری.

 

 

بی تردید یکی از مهمترین فعالیت های کشورهای پیشرفته در کاهش مصرف انرژی های ناپاک، گسترش تکنولوژی هایی است که از منابع تجدید پذیر و نامحدود انرژی استفاده می کنند. این موضوع تأثیر فراوانی را هم بر اقتصاد و هم بر محیط زیست در پی خواهد داشت. بدین معنی که با استفاده از منابع تجدید پذیر انرژی از پایان منابع فسیلی سوخت جلو گیری شده و مضرات زیست محیطی آنها نیز ایجاد نخواهد شد. تا زمانی که از منابع انرژی تجدید پذیر استفاده شود، سیستم های فتوولتاییک یکی از بهترین راه های تولید انرژی از خورشید خواهند بود. کشور آمریکا۶۹ % انرژی خود را از طریق خورشید تامین می کند.

 

شكل انرژی خورشیدی تأمین کننده ۶۹ درصد انرژی آمریکا.

 

دوام اجزای فتوولتاییک:

مدت کارکرد ماژول های خورشیدی، در سال های گذشته بطور متوسط ۱۰ سال در نظر گرفته شده ليكن با پیشرفت های فنی میانگین زمان کارکرد ماژول ها به ۲۵ سال رسیده است. بسیاری از اجزاء و مواد اولیه این ماژول ها قابل بازیافت و استفاده اند. مثلا شیشه ها، جعبه های پلاستیکی و کلاف های فلزی نصب و … قابل استفاده مجددند. اما بازیافت برخی از اجزا چون نیمه هادی ها و … امکانپذیر نیست.

مزایای تکنولوژی فتوولتاییک:

دوام:

تکنولوژی بکار رفته در ساخت ماژول های فتوولتاییک از مصالح بادوامی است. در گذشته دوام سیستم ها را حدود ۱۰ سال در نظر می گرفتند. اما با پیشرفت های انجام شده، متوسط عمر مفید این سیستم ها به ۲۵ سال رسیده است.

هزینه های پایین حفظ و نگهداری:

در سیستم منابع تجدیدناپذیر، هزینه های حمل و نقل مواد و نیروی کار بسیار بالا است. اما در سیستم های فتوولتاییک چنین هزینه هایی در چرخه تولید وجود ندارد. زیرا سیستم به بازرسی های دوره ای، سرویس و نگهداری های گهگاهی با هزینه اند که نیاز دارد، چون در شهرهای صنعتی و پر جمعیت به دلیل وجود مواد آلاینده و قرارگرفتن این مواد روی سطح سلول های خورشیدی از بازدهی آنها می کاهد.

عدم نیاز به مواد سوختی:

در سیستم های فتوولتایی نیازی به منابع سوختی فسیلی و … نمی باشد. بنابراین مضرات زیست محیطی ناشی از این منابع و هزینه های حمل و نقل و انبارداری آنها حذف می شود.

کاهش آلودگی صوتی:

سیستم های فتوولتاییک بدون حرکت و کاملا بی صدا بوده و آلودگی صوتی ندارد.

 قابلیت نصب و راه اندازی سیستم های فتوولتائیک در ظرفیت های گوناگون:

با توجه به ماژولهای پیش ساخته در این سیستم ها می توان الکتریسیته را در مقیاس های مختلف تولید کرد. چنانچه با سیستم های فتوولتاییک می توان از چند میلی وات تا چندین مگاوات انرژی بدست آورد. اگر این سیستم را بصورت ماژولهای کوچک و منفرد استفاده کنیم، برای نیازهای بسیار ناچیز و اگر در مزرعه ای مجموعه ای از آرایش های گسترده فتوولتاییک را بکار بریم، نیروگاهی عظیم را ایجاد کرده ایم.

عدم وابستگی به شبکه برق شهری:

در مواقعی که انتقال برق شهری امکانپذیر نباشد، میتوان از این سیستم ها بهره گیری کرد. زیرا بصورت مستقل الكتریسیته تولید کرده و نیازی به نگهداری فراوان ندارند. پس در مناطق دورافتاده و صعب العبور، استفاده از این سیستم ها گزینه مناسبی خواهد بود.

معایب تکنولوژی فتوولتاییک:

هزینه های راه اندازی:

مهمترین ایرادی که به این سیستم ها وارد است، هزینه های بالای نصب و راه اندازی آنهاست. در حالیکه با نگاه کارشناسانه و دقیق، این سیستم ها در دراز مدت بصرفه خواهند بود.

وابستگی به شدت تابش خورشید:

باتوجه به نیاز این سیستم ها به نور خورشید، تغییرات جوی بر مقدار انرژی تولید شده در این سیستم های مؤثر است. پس لازم است که این موضوع را در طراحی سیستم ها مورد توجه قرار دهیم.

نیاز به ذخیره سازی انرژی:

در بیشتر مواقع لازم است از باتری هایی به منظور ذخیره انرژی استفاده شود که این موضوع سبب افزایش هزینه ها می شود.

موارد کاربرد عمده سیستم فتوولتاییک:

موارد کاربرد عمده سیستم فتوولتاییک را می توان به صورت های زیر دسته بندی نمود.

1) سیستم های معمولی منفرد از شبکه(مانند پمپ های آب)

۲) گسترش اقتصادی روستاهای دور از شبکه برق (برای فعالیتهای صنعتی، ارتباطی، فرهنگی، خانگی

روستایی)

۳) خانه های مسکونی مجزا از شبکه برق (اماکن تفریحی غیره)

۴) حفاظت کاتدیک(لوله های نفت و گاز، در پوش های چاه، پل ها، اسكلت فلزی ساختمان ها و مخازن)

۵) مخابراتی (تغذیه تکرار کننده های میکروویو ایستگاه های تلویزیونی، رادیویی، سیستم تلفن، سیستم از راه دور، تأسیسات فیبر نوری)

۶) روشنایی و تغذیه لوازم کوچک (روشنایی خیابانی، روشنایی ایستگاه های خارج شهری، تغذيه فانوس های دریایی، چراغ خطر دکل های برق)

۷) تغذیه بخشی از انرژی مورد نیاز روزانه منازل و ساختمان های تجاری که عموما فعالیت اصلی آنها در روز است.

۸) اداره برق (فرمان کلیدهای قدرت، کاهش تلفات خط، تأمین بخشی از انرژی مورد نیاز مصرف کننده های تغذیه سنسورهای حرارتی دینامیکی، تغذیه زنگ خطر نیروگاه های هسته ای، کنترل راه دور اتوماتیک، تهیه هیدروژن از آب استخراج هیدروژن)

۹) کار به صورت ترکیبی (سیستمی شامل PV (فتوولتائیک)، توربین های بادی، دیزل ژنراتور و باطری)

۱۰) مانیتورینگ(هواشناسی، کیفیت آب، خطوط لوله)

۱۱) باطری شارژهای قابل حمل برای مصارف گوناگون

۱۲) چراغ های راهنمایی و رانندگی

۱۳) یخچال های واکسن

۱۴) تغذیه کلیه مصارف در کاربردهای قابل حمل و نقل

 

امروزه با وجود تکنولوژی های جدید در ساخت و به کار گیری سیستم انرژی خورشیدی در تمام قسمت های جهان برای تولید انرژی الکتریکی و تامین مصرف کنندگان شبکه، تلاش بر این است که این سیستم ها با کمترین هزینه نصب و راه اندازی بشوند. تا بتواند حداکثر راندمان را برای بهره برداران داشته باشد. ولی مسئله مهم این است که حتی با به کارگیری این تکنولوژی ها در امر طراحی و ساخت سیستم مبدل انرژی خورشیدی باز نمی توان از حداکثر راندمان و توان تولیدی سلول های خورشیدی بهره گرفت. بلکه نیاز به تکنیک های مکانیکی و کنترلی جدیدتری برای رسیدن به ماکزیمم توان داریم. که در این بخش مفهوم ماکزیمم توان و راههای رسیدن به ماکزیمم نقطه توان می پردازیم. که می توان با شناخت پارامترهای مناسب در امر کنترل ماکزیمم توان و عملکرد بهینه سیستم به راندمان بالاتری دست پیدا کرد.

ساختار کلی سیستم فتوولتاییک:

برای تبدیل انرژی نهفته در نور خورشید بایدیک مراحلی طی شود تا انرژی الکتریکی تولید گردد. این فرآیند نیازمند یک ساختار مناسب و هماهنگ شامل سلول خورشیدی، ردیاب نقطه بیشینه، ، مبدل الکترونیک قدرت است در شکل زیر بلوک دیاگرام و در شكل بعدی شماتیک این سیستم نشان داده شده است.

شکل بلوک دیاگرام سیستم مبدل انرژی خورشیدی.

 

شكل شماتیک سیستم مبدل سیستم فتوولتاییک.

 

ساختار سیستم فتوولتاییک در تبدیل توان بسیار حائز اهمیت است. یعنی تک تک بلوک های اشاره شده در شکل بالا دارای ویژگی های خاصی می باشند که در ادامه بحث به این ویژگی ها پرداخته می شود. در سیستم های مبدل انرژی خورشیدی نوع سلول به کار رفته و عملکرد آن در تولید و انتقال توان الکتریکی و پایداری سیستم بسیار مهم است.

مشخصه های V – I آرایه خورشیدی:

سلول های خورشیدی غیرخطی، زیست محیطی( دما و تابش) به مشخصه هایV-I و P-I وابسته شده اند. همچنین، نقطه کاری سلول های خورشیدی به بار متصل شده به آنها وابسته اند. جریان و ولتاژ و بنابراین توان یک سلول خورشیدی محدود شده است و بنابراین سلول های خورشیدی به همدیگر به صورت سری و موازی برای دستیابی به جریان و ولتاژ مناسب متصل شده اند. برای درک رفتار یک سلول خورشیدی، بهتر است که یک مدل که معادل الکتریکی است درست کنیم، این مدل بر مبنای اجزای الکتریکی جدا از هم که رفتارشان را به خوبی می شناسیم ایجاد می شود.

یک سلول خورشیدی ایده آل با یک منبع جریان موازی با دو دیود مدل می شود، در عمل هیچ سلول خورشیدی ایده آل نیست، بنابراین یک مقاومت موازی فرعی و یک مقاومت سری به مدل اضافه می کنیم.

نقطه حداکثر توان در سیستم فتوولتاییک(MPPT):

هدف از طراحی و ساخت سیستم فتوولتاییک، تولید توان الکتریکی و به کار گیری آن در شبکه و با تامین بارهای محلی می باشد. اما موضوع بسیار مهم در این طراحی ، تغییرات تابش است که قابل پیش بینی نیست و دائما در حال نوسان است. این موضوع باعث می شود تولید و کنترل توان دچار مشکل شود. دومین عامل مسئله ساز، ارتباط بین دما و توانی که از طریق سلول ایجاد می شود، است. پس با درنظرگرفتن این مسائل به این نتیجه می رسیم که احتیاج به یک سیستم دنبال کننده نقطه حداکثر توان داریم. به منظور افزایش بازدهی سیستم فتوولتاییک (PV)، ردیابی نقطه توان ماکزیمم آرایه های خورشیدی مورد نیاز است. توان خروجی سلولهای خورشیدی به تابش و دمای خورشید وابسته است. تأثير تابش بر جریان بیشتر از ولتاژ است، بگونه ای که افزایش تابش، جریان را بیش از ولتاژ افزایش می دهد و درنهایت توان افزایش می یابد، اما تأثير تغییر دما بیشتر روی ولتاژ است، بطوری که با افزایش دما، ولتاژ کاهش و جریان افزایش می یابد اما چون میزان کاهش ولتاژ چشم گیر است، این امر سبب کاهش توان به ازای افزایش دما می شود.

در صورتی که سلول های خورشیدی تحت شرایط سایه نباشند، دارای یک نقطه ماکزیمم توان هستند اما وقتی سلول های خورشیدی در شرایط سایه قرار می گیرند مشخصه ی جریان – توان آرایه خورشیدی ماکزیمم های متعددی دارد. همچنین پدیده ای توسط سایه جزیی ایجاد می شود که بر توان خروجی سیستم فتوولتاییک اثر خواهد داشت و منجر به عملکرد ناصحيح ردیابMPP عادی می شود. تحت شرایط سایه جزیی، مشخصه جریان- توان آرایه خورشیدی(P-I) MAX متعددی دارد. نتایج تأیید می کند که الگوریتمMPPT باید ارائه شود که با دقت بالایی می تواند پیک، نقطه توان را تحت تابش و دمای مختلف و در شرایط سایه جزیی ردیابی می کند که بهترین عملکرد را در مقایسه با سایر الگوریتم هایMPPT دارد.

انواع روش های دنبال کننده حداکثر نقطه توان در سیستم فتوولتاییک:

به طور کلی برای کنترلMPPT در سیستم فتوولتاییک از دو روش کنترلی زیر استفاده می شود:

• استفاده از تکنولوژی ساخت بهینه
• استفاده از روش های بهینه سازی هوشمند و مبدل های الکترونیک قدرت.

در روش کنترلی اول به دلیل گران بودن تکنولوژی ساخت آنها و پر هزینه بودن آن زیاد مورد بررسی قرار نمیگیرد. در حالت دوم از روش های هوشمند و مبدل الكترونیک قدرت برای انتقال توان و دنبال کردن حداکثر نقطه توان در سیستم فتوولتاییک استفاده می شود.

در این مد کنترلی با نمونه گیری از یک سری پارامترهای سیستم و اجرای الگوریتم های بهینه سازی بر روی این پارامترها می توان کنترل MPPT را انجام داد. لازم به ذکر است این مد کنترلی خیلی به ساختار سیستم ، بار متصل شده به سیستم و نوع مبدل الکترونیک قدرت بستگی دارد. با توجه به متغییر بودن میزان تابش و دما در موقعیت سایه جزیی، برای تولید ماکزیمم توان در کنترل حداکثر نقطه توان، نیازمند روش های هوشمند بهینه سازی هستیم. در زیر به تعدادی از روش های ردیابی نقطه توان بیشینه اشاره شده است:

• کنترل کننده عصبی
• کنترل کننده فازی
• کنترل بر مبنای ولتاژ
• کنترل بر مبنای جریان و کنترل کننده P&O
• روش کنترلی جستجوی نوک تپه (HCS)
• کنترل کننده با ساختار ANFIS
• الگوریتم ژنتیک.

 روش الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات(PSO) برای ردیابی نقطه حداکثر توان در سیستم فتوولتاییک:

یکی از تکنیک های بهینه سازی قوی بر اساس حرکت و هوش گروهی می باشد که از رفتار دسته ای از پرندگان یا گروهی از ماهی ها الهام گرفته است. این الگوریتم مفهوم اثر متقابل اجتماعی پرندگان را برای حل کردن مسئله بکار می برد و در سال ۱۹۹۵ توسط James Kenedy ( روانشناس اجتماعی )و Russel Eberhart (مهندس الکترونیک) توسعه یافت که از تعدادی ذره استفاده خواهد کرد که یک گروه را تشکیل می دهند. و برای یافتن بهترین حل در فضای جستجو حرکت می کنند. این الگوریتم با تکنیک های محاسباتی تکاملی مانند الگوریتم ژنتیک شباهت هایی دارد با هر Particle به عنوان یک نقطه در فضایN بعدی رفتار می شود که پردازش را بر طبق تجربیات پرواز خود بعلاوه تجربیات دیگرParticle ها تنظیم می کند. هر Particle مسیرش را در مختصات خود در فضای حل ادامه می دهد، که مرتبط با بهترین محلی است که تا کنون به وسیله آن Particle بدست آمده است. این مقدار بهترین شخص (Pbest) نامیده می شود. بهترین مقدار دیگر نیز برای ذره همسایه وجود دارد، کهPSO آن را دنبال می کند. بهترین مقدار بدست آمده تا کنون به وسیله هر Particle در همسایگی آن Particle می باشد. این مقدار Gbest نامیده می شود و در واقع بهترین تجربه سراسری به حساب می آید.

پارامترهایPSO:

مراحل اجرای الگوریتمPSO :

1- تولید جمعیت اوليه

2-محاسبه مقدار fitness برای تمام ذرات فعلی و مقادیر بدست آمده از تکرار های قبلی

٣- تعیین مقدار Pbest برای هر ذره با توجه به مقدار fitness ذرات فعلی و مقادیر بدست آمده از تكرارهای گذشته

۴- تعیین مقدار Gbest از بین تمام ذرات با توجه به fitnessهای بدست آمده برای ذرات در تکرارهای گذشته

۵- تعیین مکان جدید ذرات با استفاده از روابط زیر

 

 

6- رفتن به مرحله (۲) در صورت نرسیدن به تکرار ماکزیمم و رفتن به مرحله (۷) در غیر این صورت

۷- معرفي Gbest بدست آمده در آخرین تکرار به عنوان جواب مسئله

۸- پایان.

که رابطه بالا C1 و C2 ضرایب شتاب است که مقدارشان برابر با ۲ است. و W فاکتور ضریب وزنی است.

W_max: نخستین ضریب وزنی

W_min: آخرین ضریب وزنی

T_max: ماکزیمم تکرار مسئله

(*)Rand: توزیع نرمال تصادفی بین صفر و یک.

شرط توقف: تعداد ماکزیمم تكرارها اجرا می شوند و خطای مینیمم بدست می آید و با رسیدن به fitness مناسب از شروط توقف می باشد. شرط توقف مسئله وابسته به مسئله ای که بهینه سازی می شود.

مزیت هایPSO:

• یک روش مرتبه صفر است و به عملیات محاسباتی سنگین نیازی ندارد.
• یک روش مبتنی بر محاسبه است (محاسبه توزیع شده).
• بار محاسباتی قابل قبولی دارد.
• همگرایی نسبتا بیشتری دارد.
• بر خلاف سایر الگوریتم های تکاملی در PSO عملیات انتخاب وجود ندارد این بدان معنی است که هیچ ذره ای حذف نمی شود ولی مقدار آن تغییر می کند.
• PSO از اصل بقا استفاده نمی کند.
• عمل ترکیب جوابها Cross over در PSO وجود ندارد.
• در PSO نیز عمل جهش Mutation وجود دارد.
• می توان در PSO نسبت به جستجوی محلی و سراسری را به کمک وزن ها مشخص کرد.

در شکل زیر فلوچارت الگوریتمPSO نشان داده شده است.

 

 

 

شکل فلوچارت الگوریتمPSO

 

 

نمونه نتایج ردیابی نقطه حداکثر توان پنل فتوولتائیک توسط الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات(PSO):